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港城市大Alex Jen示范讓疊層電池壽命超過1千小時(shí)

發(fā)表時(shí)間:2024/8/30 14:41:47

導(dǎo)讀目錄

1.          突破單結(jié)太陽能電池解析_疊層太陽能電池TSC的發(fā)展性

2.          AQS-based添加劑延伸步驟及表征設(shè)備

3.          AQS實(shí)現(xiàn)WBG單結(jié)全無機(jī)PSC長期穩(wěn)定性提升用于鈣鈦礦/有機(jī)疊層太陽能電池P/O TSC


突破單結(jié)太陽能電池PCE:18.59%、VOC1.3V
疊層太陽能電池TSC >10001000小時(shí)的T90壽命

隨著能源需求的增長和對(duì)可再生能源的關(guān)注,太陽能電池技術(shù)的發(fā)展成為了研究的重點(diǎn)。傳統(tǒng)的單結(jié)太陽能電池受制于肖克利-奎瑟極限,為了突破這一限制,香港城市大學(xué)Alex Jen團(tuán)隊(duì)研究人員開始探索疊層太陽能電池(TSC)的設(shè)計(jì),將兩個(gè)或多個(gè)具有不同帶隙的亞細(xì)胞堆棧在一起,以捕獲更廣泛的光譜范圍,從而提高整體的轉(zhuǎn)換效率。

在眾多的TSC設(shè)計(jì)中,鈣鈦礦/有機(jī)疊層太陽能電池(P/O TSC)由于其高效率和潛在的低成本,受到了廣泛的關(guān)注。這些器件結(jié)合了無機(jī)鈣鈦礦材料的高吸收系數(shù)和有機(jī)材料的可調(diào)帶隙,使得P/O TSCs能夠在有限的空間內(nèi)捕獲更多的太陽光,從而提高功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)。

然而,鈣鈦礦/有機(jī)疊層太陽能電池P/O TSCs面臨的主要挑戰(zhàn)之一是長期穩(wěn)定性,尤其是在實(shí)際運(yùn)行條件下。光誘導(dǎo)的溴化物分離和熱應(yīng)力是導(dǎo)致這些器件性能衰退的主要原因。為了改善這一問題,本研究開發(fā)了兩種多功能添加劑,基于9,10-蒽醌-2-磺酸(AQS),以調(diào)節(jié)全無機(jī)鈣鈦礦的結(jié)晶過程,并通過氧化還原穿梭效應(yīng)抑制溴化物分離,從而提高相位穩(wěn)定性。這些添加劑還能與具有特定功能基團(tuán)和偶極矩的有機(jī)陽離子結(jié)合,有效降低缺陷密度并調(diào)整界面能階排列。

本研究由香港城市大學(xué)Alex Jen團(tuán)隊(duì)發(fā)表于Angewandte Chemie International Edition 八月號(hào) (DIO: 10.1002/anie.202412515),其研究目的是通過這些多功能添加劑的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)高效率、高穩(wěn)定性的倒置無機(jī)鈣鈦礦/有機(jī)疊層太陽能電池,以推動(dòng)該技術(shù)向?qū)嶋H應(yīng)用邁進(jìn)。研究結(jié)果表明,使用這些添加劑的單結(jié)無機(jī)鈣鈦礦太陽能電池達(dá)到了18.59%的高PCE,開路電壓接近1.3 V,并且由此制成的疊層太陽能電池在連續(xù)運(yùn)作下展現(xiàn)了超過1000小時(shí)的T90壽命,顯示了這些添加劑在提高器件穩(wěn)定性和效率方面的潛力。

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5. (a) 基于無機(jī)鈣鈦礦的P/O TSC的體系結(jié)構(gòu)。 (b) P/O TSC、單結(jié)太陽能電池和單結(jié)有機(jī)太陽能電池的J-V特性。 (c) P/O TSCEQE曲線。星點(diǎn)代表本研究實(shí)現(xiàn)的PCE。 (d) P/O TSCPCE評(píng)估。


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AQS-based添加劑延伸步驟及表征設(shè)備


透過分析該研究,整理出以下研究人員所采用的研究步驟及其欲達(dá)成的研究目的:

1.         研究多功能添加劑的設(shè)計(jì)與合成

l   材料準(zhǔn)備:購買商業(yè)化原料,如CsIPbI2、PbBr2、PbCl2等,并使用AQS-based添加劑進(jìn)行合成。
研究目的:確保材料的純度和質(zhì)量,以供后續(xù)制備太陽能電池之用。

l   溶液準(zhǔn)備:將NiOx、CbzNaph、i-PVKCF3-PEAI、PM6、BTP-eC9、PCBM等材料分別制成溶液,并加入特定的溶劑和添加劑,如DIO
研究目的:制備均勻且適合涂布的溶液,以獲得良好的薄膜質(zhì)量。

l   添加劑的表征與性能評(píng)估:

目的:使用熱重分析(TGA)、差示掃描量熱法(DSC)和其他分析技術(shù)來表征添加劑的熱穩(wěn)定性和化學(xué)性質(zhì),并評(píng)估其對(duì)鈣鈦礦薄膜質(zhì)量的影響。

2.       單結(jié)無機(jī)鈣鈦礦太陽能電池(i-PSCs)制備與性能測試:

l   按照特定的結(jié)構(gòu)和步驟,包括ITO/NiOx/CbzNaph/i-PVK/C60/BCP/Ag,來制備i-PSCs

l   測試其光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)、開路電壓(Voc)、短路電流密度(Jsc)和填充因子(FF)等關(guān)鍵參數(shù)
研究目的:制備高效能的i-PSCs,并研究AQS-based添加劑對(duì)其性能的影響。

3.       單結(jié)有機(jī)太陽能電池(OSCs)制備:按照特定的結(jié)構(gòu)和步驟,包括ITO/MoOx/PM6:BTP-eC9/PNDIT-F3N/Ag,來制備OSCs。
研究目的:制備高效能的OSCs,并研究其作為疊層太陽能電池的一部分時(shí)的性能。

4.      疊層太陽能電池制備與性能測試:

l   將優(yōu)化的無機(jī)鈣鈦礦子電池與有機(jī)后子電池集成并制備,形成一個(gè)完整的疊層太陽能電池結(jié)構(gòu)。

l   測試其整體性能,包括PCE、穩(wěn)定性和在最大功率點(diǎn)追蹤(MPPT)條件下的壽命。
研究目的:制備高效率的疊層太陽能電池,并研究其整體性能和穩(wěn)定性。

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5.      測量和表征:使用1H NMR、13C NMR、XRD、DLS、SEM、XPSUPS、PL、TRPL、J-V特性和EQE等技術(shù)對(duì)材料和器件進(jìn)行表征。
研究目的:深入了解材料和器件的結(jié)構(gòu)、形態(tài)、光電特性及性能。

6.      密度泛函理論(DFT)計(jì)算:進(jìn)行DFT計(jì)算以理解添加劑與鈣鈦礦材料之間的相互作用。
研究目的:從理論角度解釋添加劑對(duì)太陽能電池性能的影響。

7.       在位表征:通過在位光吸收、熒光和光散射等實(shí)驗(yàn),分析聚合物和小分子的成核和結(jié)晶過程。
研究目的:實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析薄膜的形態(tài)特性和成長過程。

8.      電化學(xué)阻抗譜(EIS)和熱容譜(TAS)分析:通過EISTAS來研究器件的電化學(xué)特性和溫度依賴性。
研究目的:評(píng)估器件的電荷傳輸和收集效率,以及熱穩(wěn)定性。

9.      穩(wěn)定性測試:使用動(dòng)態(tài)MPPT系統(tǒng)在N2氣氛中進(jìn)行穩(wěn)定性測試,以評(píng)估器件的長期穩(wěn)定性。
研究目的:驗(yàn)證太陽能電池在實(shí)際操作條件下的耐久性和可靠性。

上述的各項(xiàng)研究步驟使用多項(xiàng)量測及表征設(shè)備,如: X射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、熱重分析儀(TGA)、差示掃描量熱儀(DSC)、紫外-可見吸收分光亮度計(jì)(UV-Vis)、光致發(fā)光譜儀(PL)等。另外,如下方表列:

  1. 電化學(xué)阻抗譜(EIS:用于研究器件內(nèi)部的電子傳輸和界面特性。

  2. 時(shí)間分辨光致發(fā)光(TRPL:用于測量載流子的壽命和非輻射復(fù)合過程。
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  3. 外量子效率(EQE)測量系統(tǒng):用于評(píng)估太陽能電池對(duì)不同波長光的光電轉(zhuǎn)換效率。
         
    該量測采用光焱科技 QE-R外量子效率量測方案,為單結(jié)及多結(jié)太陽能電池提供有效精準(zhǔn)且高重現(xiàn)性的表征參數(shù),還能通過軟件的配合,實(shí)現(xiàn)高效的ΔΕ1量測模式。光焱科技的分析軟件可將上述設(shè)備的數(shù)據(jù)直接執(zhí)行導(dǎo)入與導(dǎo)出,有效簡化了原本繁瑣且需要大量計(jì)算驗(yàn)證的研究流程,從而成功獲取器件各階段所需的關(guān)鍵參數(shù),并降低了程序負(fù)荷和人為計(jì)算錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。

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                                                              光焱科技QE-R現(xiàn)場裝機(jī)示意圖

在這項(xiàng)研究中,EQE測量系統(tǒng)幫助研究人員評(píng)估了多功能添加劑對(duì)無機(jī)鈣鈦礦/有機(jī)疊層太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的影響。通過EQE測量,研究團(tuán)隊(duì)能夠確定添加劑是否改善了太陽能電池在特定波長范圍內(nèi)的光吸收和電荷轉(zhuǎn)換過程。這對(duì)于實(shí)現(xiàn)高效率的太陽能電池至關(guān)重要。
具體來說,研究結(jié)果顯示,通過使用這些添加劑,單結(jié)無機(jī)鈣鈦礦太陽能電池達(dá)到了18.59%的高PCE,并且開路電壓接近1.3 V。此外,由此制成的疊層太陽能電池在連續(xù)運(yùn)作下展現(xiàn)了超過1000小時(shí)的T90壽命。這些結(jié)果表明,添加劑的使用不僅提高了太陽能電池的效率,而且顯著提高了其穩(wěn)定性和壽命,這是太陽能電池商業(yè)化應(yīng)用中非常重要的特性。
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S11。 a)無添加劑的i-PSCsEQE曲線和(b)相應(yīng)的導(dǎo)數(shù)曲線,帶有AQSFPMA和帶有AQSFPEA。

  1. 傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR:用于分析材料的化學(xué)鍵和官能團(tuán)。

  2. 核磁共振(NMR:用于確認(rèn)有機(jī)分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)。

  3. X射線光電子能譜(XPS:用于分析材料表面的化學(xué)組成和鍵結(jié)狀態(tài)。
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AQS實(shí)現(xiàn)WBG單結(jié)全無機(jī)PSC長期穩(wěn)定性提升用于鈣鈦礦/有機(jī)疊層太陽能電池P/O TSC

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并合成了兩種新型多功能添加劑AQSAQS。AQS單元在形成新的中間相中起著至關(guān)重要的作用,通過調(diào)節(jié)結(jié)晶過程降低了高質(zhì)量全無機(jī)鈣鈦礦的缺陷密度。

此外,在AQS中的高效氧化還原穿梭還增強(qiáng)了這些WBG鈣鈦礦的相穩(wěn)定性,從而有助于改善衍生器件的穩(wěn)定性。將AQS與有機(jī)偶極分子FPMAFPEA集成,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了對(duì)Pb2+的有效鈍化和表面能級(jí)的調(diào)節(jié)。結(jié)果,在單結(jié)全無機(jī)PSC中實(shí)現(xiàn)了超過18%的高效率和記錄性能的Voc約為1.3V,在MPPT條件下具有優(yōu)異的長期穩(wěn)定性。更重要的是,WBG無機(jī)鈣鈦礦可以用作構(gòu)建反向P/O TSC中的前級(jí)電池,實(shí)現(xiàn)了在MPPT條件下1000小時(shí)的T90壽命,超過了大多數(shù)已報(bào)告的P/O TSC的壽命。


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     推薦設(shè)備

            QE-R

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文獻(xiàn)參考自Angewandte Chemie International Edition_DOI:10.1002/anie.202412515

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